Elucidation of the water-splitting reaction mechanism in photosynthesis through theoretical chemical analyses based on structures

• Project/Area Number: 24K01986
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43040:Biophysics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 斉藤 圭亮 東京大学, 先端科学技術研究センター, 准教授 (20514516)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2029-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000); Fiscal Year 2028: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2027: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2026: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2025: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2024: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 光合成 / 酸素発生・水分解反応 / 光化学系II / プロトン化状態 / 量子化学

Outline of Research at the Start

光合成生物は光誘起電荷分離反応を効率的に行い，酸素発生・水分解反応を実現している．本研究では，光エネルギー変換装置である光化学系II複合体の立体構造を計算化学により解析し，光合成における水分解反応の分子機構の解明を目指す．反応で基質水分子から引き抜かれるプロトンの振る舞いを明らかにするため，時間分解X線解析により得られている反応中間体構造に基づいて，A)最適化構造，B)プロトン安定性，C)電子スピン共鳴のスペクトルの３つの量子化学的手法により評価し，すべてに矛盾のないプロトン化状態を決定する．これにより，プロトンを含めた反応中間体の分子構造の詳細を特定し，反応機構を解明する．